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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überprüfung
des Ionisationselektrodensignals bei Brennern.
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Ionisationselektroden
werden eingesetzt, um das Vorhandensein einer Flamme festzustellen.
In einer Flamme können sich Ionen frei bewegen. Wird an zwei
Elektroden, die sich im Flammenbereich befinden, eine Spannung angelegt,
so fließt in der Flamme ein Strom. Erlischt die Flamme,
so kommt auch der Stromfluss zum Erliegen. Unterschreitet der gemessene
Ionisationsstrom einen bestimmten Grenzwert, so verriegelt die Regelung
des Brenners die Gaszufuhr, um unkontrollierten Gasaustritt zu vermeiden.
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Der
Ionisationsstrom ist von einigen Faktoren abhängig. So
nimmt beispielsweise der Ionisationsstrom ab, wenn die Oberfläche
der Elektroden durch den Einfluss der Flamme mit einer Ablagerungsschicht überzogen
ist.
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Im
ungünstigsten Fall kann es trotz Vorhandensein einer Flamme
zu einer Brenngasabschaltung kommen, wenn die Ionisationselektroden
zu stark mit Ablagerungen überzogen sind.
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Darüber
hinaus ist der Ionisationsstrom vom Brenngas-Luft-Verhältnis λ abhängig.
Bei stöchiometrischer Verbrennung ist der Ionisationsstrom
maximal.
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Ein
Verfahren zur Regelung eines Gasgebläsebrenners einer Heizungsanlage
mit Hilfe der Messung der Kohlenmonoxidemission im Abgas ist aus der
DE 103 00 602 A1 bekannt.
Hierbei wird das Brenngas-Luft-Gemisch des Brenners angefettet, wodurch
die Luftzahl sinkt. Ein Abgassensor misst die Kohlenmonoxidemission
im Abgasrohr und leitet das Signal an eine Regelung weiter. Unterschreitet der
Luftüberschuss einen bestimmten Wert, in der Regel sind
dies ca. 8% Luftüberschuss, so steigen die Kohlenmonoxidemissionen
steil an. Registriert die Regelung, dass die Kohlenmonoxidemission
einen vorgegebenen Schwellwert überschritten hat, so wird
das Gemisch nicht weiter angefettet. Das Gemisch wird dann definiert
abgemagert, um eine optimale Verbrennung zu erreichen.
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Die
EP 770 824 A2 offenbart
ein Verfahren zur Regelung eines Brenngas-Luft-Gemischs eines Brenners,
bei dem der Ionisationsstrom oder die Ionisationsspannung erfasst
wird. Während des Kalibrierverfahrens wird das Brenngas-Luft-Gemisch
angefettet und die Ionisationsspannung gemessen. Erreicht letztgenannte
ein Maximum, so ist die Verbrennung stöchiometrisch. Das
Gemisch wird dann gezielt abgemagert. Der Absolutwert der Ionisationsspannung
kann aufgrund von Verschleiß, Verschmutzung oder Verbiegung
variieren. Erreicht das Spannungsmaximum einen bestimmten Wert nicht,
so wird ein Störsignal ausgelöst und der Brenner
abgeschaltet.
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Aus
AT 411 189 B ist
bekannt, dass bei nahstöchiometrischer Verbrennung die
Kohlenmonoxidemissionen im Abgas sehr stark ansteigen. Zur Regelung
des Brenngas-Luft-Verhältnisses eines Brenners wird das
Gemisch angefettet, bis hohe Kohlenmonoxidemissionen gemessen werden;
das Gemisch wird dann gezielt abgemagert. Bezüglich der Ionisationsstrommessung
lehrt die
AT 411 189
B , dass ein Plausibilitätstest durchgeführt
werden kann. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass im Bereich 1,0 < λ < 1,3 beim Anfetten
sowohl der Ionisationsstrom, als die Kohlenmonoxidemissionen stetig
ansteigen. Daher sieht die
AT
411 189 B vor, dass in dem Fall, in dem der Ionisationsstrom
ansteigt, während die Kohlenmonoxidemissionen abfallen,
ein Fehler vorliegen muss, weshalb der Kalibriervorgang abgebrochen
wird und die Regelung mit den alten Sollwerten weiterbetrieben wird.
Fällt der Ionisationsstrom bei der Anfettung, so sollte
die Verbrennung unterstöchiometrisch sein; die Kohlenmonoxidemissionen
müssten dann extrem hoch sein. Werden keine solchen Emissionen
gemessen, so muss gemäß der Lehre der
AT 411 189 B ein
Fehler vorliegen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaffen,
das eine Veränderung des Ionisationselektrodensignals frühzeitig
erkennt, um vor dem Ausfall Gegenmaßnahmen einleiten zu
können.
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Erfindungsgemäß wird
dies gemäß den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs dadurch gelöst, dass bei einem Gasbrenner mit
einer Einrichtung zur getrennten Regelung der Brenngas- und Luftmenge
und einem Abgassensor zur Messung der Kohlenmonoxid-Konzentration
oder Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, das Brenngas-Luft-Gemisch
angefettet wird bis der Abgassensor ein Signal erfasst, das einem
vorgegebenen oder errechneten Schwellwert entspricht, zu diesem
Zustand das Ionisationselektrodensignals einer Ionisationselektrode
erfasst und mit einem Referenzwert verglichen wird, wobei in dem
Fall, in dem das Ionisationselektrodensignals den Referenzwert unterschreitet
ein Warnhinweis ausgegeben wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der
unabhängigen Ansprüche.
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So
kann der Mittelwert der mindestens zwei letzten Ionisationselektrodensignale
gebildet werden, um anstelle von Einzeleinflüssen Trends
größeres Gewicht zu geben. Wird ein zweiter Referenzwertes, der
niedriger als der erste Referenzwert ist, unterschritten, so wird
das Heizgerät abgeschaltet, um unsichere Zustände
zu vermeiden.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und
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2 den
Verlauf des Ionisationsstroms und der Kohlenmonoxidemissionen während
der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Eine
Heizungsanlage gemäß 1 verfügt über
einen Brenner 1 mit einem diesen umgebenden Wärmeaustauscher 10,
an den sich ein Abgasrohr 9, in dem sich ein Abgassensor 6 befindet,
anschließt. Dem Brenner 1 ist ein Gebläse 2 vorgeschaltet.
Auf der Eingangsseite des Gebläses 2 befindet
sich eine Luftansaugleitung 13, in die auch eine Brenngasleitung 12,
die durch ein Gasventil 4 von der Brenngaszuführung 11 getrennt
ist, reicht. Das Gasventil 4 verfügt über
einen Stellantrieb 5. Das Gebläse 2 verfügt über
einen Antriebsmotor 7 mit Drehzahlerfassung 8. Stellantrieb 5,
Antriebsmotor 7, Drehzahlerfassung 8 und Abgassensor 6 sind
mit einer Regelung 3, die über ein Speichermodul 31 und
Rechenmodul 32 verfügt, verbunden. Ebenfalls mit
der Regelung ist eine Ionisationselektrode 14, die knapp
oberhalb des Brenners 1 positioniert ist, verbunden.
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Beim
Brennerbetrieb wird von der Regelung 3 z. B. aufgrund eines
nicht dargestellten Raumthermostaten in Verbindung mit einer ebenfalls
nicht dargestellten Vorlauftemperaturerfassung im Rechenmodul 32 eine
Sollleistung des Brenners 1 berechnet. Im Speichermodul 31 ist
zu der Sollleistung ein Sollsignal für die Brenngas- und Luftmenge
hinterlegt. Mit diesen Sollsignalen wird das Gebläse 2 mit
seinem Antriebsmotor 7 und seiner Drehzahlerfassung sowie
das Gasventil 4 mit seinem Stellantrieb 5 angesteuert,
wodurch ein Brenngas-Luft-Gemisch in das Gebläse 2 und
von dort zum Brenner 1 strömt. Das Gemisch wird
an der äußeren Oberfläche des Brenners 1 verbrannt,
durchströmt den Wärmeaustauscher 10 und
strömt anschließend durch das Abgasrohr 9 ins
Freie.
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2 zeigt
den Zusammenhang zwischen Kohlenmoxidkonzentration CO, Ionisationsstrom
I und Verbrennungsluftverhältnis λ. Hierbei sind
drei unterschiedliche Ionisationstromlinien für unterschiedliche
Zustände der Ionisationselektrode dargestellt. Um eine
vollständige Verbrennung zu erreichen, ist theoretisch
ein Verbrennungsluftverhältnis λ von 1,0 notwendig.
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Hierbei
ist mL die tatsächliche Luftmenge
und mL,min die stöchiometrische
Luftmenge. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxid entsteht
stets Kohlenmonoxid als Zwischenprodukt. Aufgrund der begrenzten
Reaktionszeit in der wärmebeeinflußten Zone und
eine unzureichende Durchmischung von Brenngas und Luft, ist in der
Praxis jedoch ein gewisser Luftüberschuss notwendig, um
einen vollständigen Ausbrand zu gewährleisten. Daher
hat man in der Regel bei knapp überstöchiometrischer
Verbrennung einen CO-Wert von weit über 1000 ppm. Erst
bei einem Luftüberschuß von ca. 10% fallen die
Kohlenmonoxid-Emissionen im ausreagierten Abgas deutlich und erreichen
bei üblichen Brennern Werte deutlich unter 100 ppm. Mit
Erhöhung der Luftzahl fällt jedoch – aufgrund
des Anteils inerter Gase – die Verbrennungstemperatur;
die Verbrennungsreaktion wird verlangsamt und es kommt zum Abbruch
der Reaktion am Wärmeaustauscher. Daher ist ab einem Luftüberschuss
von ca. 80% ein deutlicher Anstieg der Kohlenmonoxidemissionen zu
verzeichnen.
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Zu
Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
ein beliebiges Brenngas-Luft-Verhältnis vor. Die Regelung 3 steuert
kontinuierlich den Stellantrieb 5 des Gasventils 4 derartig,
dass stetig mehr Brenngas bei gleicher Luftmenge in das Gebläse 2 gelangt.
Hierdurch wird das Gemisch angefettet; die Luftzahl sinkt. Der Abgassensor 6 misst
die Kohlenmonoxidemission im Abgasrohr 9 und leitet das
Signal an die Regelung 3 weiter. Registriert die Regelung 3,
dass die Kohlenmonoxidemission einen im Speichermodul 31 vorgegebenen
Schwellwert COGrenz erreicht oder überschritten
hat, so wird das Gemisch nicht weiter angefettet. Es ist bekannt,
dass derartige Kohlenmonoxidemissionen bei einer Luftzahl von ca.
1,08 erreicht werden. Zunächst wird von einer neuwertigen
Ionisationselektrode ausgegangen; das Ionisationselektrodensignal
ist demnach nicht gemindert. Das Ionisationselektrodensignal I1 der Ionisationselektrode 14 beim
vorgegebenen Schwellwert COGrenz wird gemessen
und im Rechenmodul 32 der Regelung 3 mit einem
ersten Referenzwert IGrenz aus dem Speichermodul 31 verglichen.
Da das Ionisationselektrodensignal I1 größer
als der erste Referenzwert IGrenz ist, sind
keine weiterführenden Maßnahmen notwendig.
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Bei
einer späteren Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist die Ionisationselektrode bereits etwas mit Ablagerungen
versehen; das Ionisationselektrodensignal ist geringer. Bei dem
vorgegebenen Schwellwert COGrenz ist das
Ionisationselektrodensignal I2 der Ionisationselektrode 14 geringer
als zu Beginn. Da das Ionisationselektrodensignal I2 weiterhin
größer als der erste Referenzwert IGrenz ist,
sind keine weiterführenden Maßnahmen notwendig.
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Bei
einer noch späteren Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist die Ionisationselektrode mit starken Ablagerungen
versehen; das Ionisationselektrodensignal ist deutlich geringer
als zu Beginn. Bei dem vorgegebenen Schwellwert COGrenz ist
das Ionisationselektrodensignal I3 der Ionisationselektrode 14 kleiner
als der erste Referenzwert IGrenz. Daher
gibt die Regelung 3 einen Hinweis zur Wartung aus. Dieser
Hinweis kann zum Beispiel in Form einer Warnleuchte oder über
eine Datenfernverbindung zu einem Fachhandwerker erfolgen.
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Unterschreitet
das Ionisationselektrodensignal einen zweiten Referenzwert IAbschalt' so wird die Brenngaszufuhr zum
Brenner 1 abgeschaltet.
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Erfindungsgemäß kann
anstelle des vorgegebenen Schwellwerts COGrenz auch
ein Gradient (Δ CO/Δ λ)Grenz vorgegeben
werden. Ferner kann anstelle einer Einzelmessung eine Mittelwertbildung über mehrere
Messungen erfolgen. Es kann sowohl mit einem vorgegebenen Referenzwert,
als auch mit den Messwerten vorhergegangener Messungen verglichen
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10300602
A1 [0006]
- - EP 770824 A2 [0007]
- - AT 411189 B [0008, 0008, 0008, 0008]